Industrielle Prozessüberwachung

Energie sparen durch optimale Nachverbrennung

Die Stahlerzeugung gehört zu den energieintensivsten industriellen Prozessen. Rund 450 KWh Strom elektrische Energie benötigt ein Elektroschmelzofen, um eine Tonne Metall zu schmelzen. Durch eine optimale Nachverbrennung lässt sich der Energiebedarf um bis zu sieben Prozent reduzieren. Dabei wird das bei der Schmelze entstehende Kohlenmonoxid unter Zugabe von Sauerstoff zu Kohlendioxid nachverbrannt. Die Verbrennungswärme wird für den Schmelzprozess genutzt. Je besser die Konzentrationen von CO, CO2 und O2 aufeinander abgestimmt sind, desto effizienter ist die Nachverbrennung. Fraunhofer IPM hat ein Messsystem entwickelt, das die Konzentrationen der Gase im Lichtbogenofen misst und so eine optimale Prozessregelung möglich macht. Das System saugt eine Probe des Gasgemisches aus dem Schmelzofen ab. In weniger als zehn Sekunden bestimmt ein IR-Spektrometer die Konzentrationen von CO, CO2 und O2. So können die Prozessparameter nachjustiert und der Prozess optimiert werden. Die sensible Messtechnik funktioniert zuverlässig auch unter den schwierigen Messbedingungen im Stahlwerk.

Schnelle Infrarot-Messtechnik für die Prozessanalytik

Die Infrarotspektroskopie ist ein wichtiges analytisches Werkzeug in Industrie und Wissenschaft. Das gilt – aufgrund der dort vorhanden starken Molekül-Absorptionsbanden – insbesondere für den Bereich des mittleren Infrarot mit Wellenlängen größer 3 µm. Für den empfindlichen Nachweis mittelinfraroter Strahlung (z. B. bei der Überwachung chemischer Prozesse) sind bislang teure, kryogengekühlte Detektoren erforderlich. Mithilfe der nichtlinearen Frequenzkonversion kann die Mittelinfrarot-Strahlung (MIR, z. B. aus dem Bereich von 3–5 µm) zu kürzeren Wellenlängen im nahen Infrarot (NIR) konvertiert werden, sodass sie auch mit siliziumbasierten Detektoren und Kameras nachweisbar wird. Diese sind deutlich günstiger, schneller und empfindlicher.

So entsteht ein Wellenlängen-»Range-Extender« für NIR-Spektrometer, der die Vorteile von Siliziumdetektoren auch für den MIR-Bereich nutzbar macht. Dabei geht es vor allem um die Möglichkeit, schnell ablaufende chemische Prozesse durch die Messung von Infrarot-Spektren mit hohen Aufnahmeraten zu überwachen. Klassische MIR-Systeme wie Gitter- oder Fourier-Transform-Spektrometer sind für solche Anwendungen mit ca. 100 Spektren pro Sekunde zu langsam.

Dank des Range-Extenders kann das resultierende NIR-Licht die spektrale Information aus dem Mittleren Infrarot hochaufgelöst (2 nm) und mit ca. 6500 Spektren pro Sekunde im nahen Infrarot registrieren. Das ist schnell genug, um zum Beispiel die Gasentstehung beim Zünden eines Airbag-Gasgenerators in Echtzeit zu verfolgen.

Öffentlich geförderte Projekte im Bereich »Industrielle Prozessüberwachung« / Fraunhofer interne Projekte

Projekt »Gas-Effizienz«

Schnelle Messtechnik zur effizienten Nutzung regenerativ erzeugter Gase 

Projekt »eharsh«

Technologieplattform für Sensorsysteme, aufgebaut für den Einsatz in extrem rauen Umgebungen